钢-混组合梁斜拉桥悬臂施工过程精细化分析
2021-07-27王子豪
王子豪
（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司）
0 引言
钢-混组合梁的特点在于能够在使用中充分发挥钢材与混凝土的材料性能优势[1]，与此同时，通过预制拼装的方式进行施工能够大幅度提高施工效率，具有较好的经济优势，因而我国在近20 年里对这种结构形式进行了大量的研究应用，并达到了国际先进水平[1]。
现代组合梁斜拉桥施工方式多采用悬臂施工法，此过程中，施工步骤繁杂，且主梁会出现多次体系转换，钢梁、混凝土板及连接二者的剪力钉内力状态复杂。为了更好地控制施工质量，对悬臂施工过程中主梁各部分结构内力变化规律进行探究是有必要的。
1 工程概况
潮汕大桥主桥采用独塔双索面组合梁斜拉桥，桥跨布置为（205+205）m，桥长410m，桥宽35m。
全桥采用可转换半漂浮体系，在主塔处设置球形钢支座、横向弹塑性钢阻尼、纵向弹塑性钢阻尼，在过渡墩处设置球形钢支座，横向弹塑性钢阻尼、纵向粘滞阻尼器。索塔采用A 型索塔，索塔两侧各布置15 对斜拉索。主梁采用双边“工”字型边主梁结合桥面板的整体断面，全宽35m，梁高3.2m（边主梁中心处）。其中钢主梁部分包括纵梁、横梁、小纵梁和锚拉板等组成；桥面板支承在由钢主梁的边主梁、小纵梁及横梁组成的梁格系上，主梁截面示意如图1 所示。
图1 主梁截面示意图
2 计算模型
2.1 空间梁单元模型
通过MIDAS CIVIL 软件建立潮汕大桥梁单元有限元模型进行施工过程分析模型，并采用ANSYS 软件针对施工过程中最大悬臂端五个节段建立局部实体有限元模型，采用生死单元法进行施工过程分析。其中，钢梁模拟采用SHELL181 板壳单元，混凝土桥面板采用SOLID95 实体单元，剪力钉在X（顺桥向）、Y（横桥向）、Z（竖向）三个方向上采用COMBIN14 弹簧单元模拟。由于施工过程中结构体系及荷载基本横向对称，因此本模型采用建立1/2 结构模型并施加对称约束的形式进行模拟，总单元数为320182，实体有限元模型基本情况分别如图2所示。
图2 空间实体有限元模型
2.2 结构材料
主梁钢材为Q370qD；桥面混凝土板采用C60，普通钢筋为HRB400 热轧带肋钢筋；剪力钉材料为ML15，直径为22mm。
2.3 边界条件
对11#号节段近桥塔向根部横断面建立刚域，施加UX（纵桥向）、UZ（竖向）及各向转动自由度约束，并根据Midas 模型给于刚域时变的ROTY（竖弯）转动位移；对全部节段桥梁中心线处纵断面施加UY（横桥向）平动约束。
3 主梁施工阶段分析
3.1 施工工况设置
对潮汕大桥最外侧11#、12#、13#、14#、15# 五个节段的施工过程进行了模拟，为重点考察15#节段施工时14#节段的受力状况，15#节段施工过程的模拟相对更为细化，总共20 个计算工况，详细内容如下。
工况1：11# 钢梁激活，11# 索初张拉，索力为1374.7kN。
工况2：11#钢梁上激活混凝土湿重荷载。
工况3：11#混凝土板激活，钝化湿重荷载，11#索二次张拉，索力为4245.1kN。
工况4：吊机移至11#梁段，12#钢梁激活，12#索初张拉，索力为1449.8kN。
工况5：12#钢梁上激活混凝土湿重荷载。
工况6：12#混凝土板激活，钝化湿重荷载，12#索二次张拉，索力为4528.9kN。
工况7：11#至12#混凝土板预应力激活。
工况8：吊机移至12#梁段，13#钢梁激活，13#索初张拉，索力为1519.4kN。
工况9：13#钢梁上激活混凝土湿重荷载。
工况10：13#混凝土板激活，钝化湿重荷载，13#索二次张拉，索力为4793.3kN。
工况11：吊机移至13#梁段，14#钢梁激活，14#索初张拉，索力为1555.2kN。
工况12：14#钢梁上激活混凝土湿重荷载。
工况13：14#混凝土板激活，钝化湿重荷载，13#索二次张拉，索力为5051.9kN。
工况14：13#至14#梁段混凝土板预应力激活。
工况15：吊机移至14#梁段，15#主梁吊装过程，起吊一半钢梁。
工况16：15#主梁吊装拼接完成，吊机卸载。
工况17：15#索初张拉，索力为1598.1kN。
工况18：吊机吊装15#桥面板过程，起吊一半桥面板荷载，钢梁上激活一半湿重。
工况19：吊机卸载，15#钢梁上激活全部混凝土湿重荷载。
工况20：15#混凝土板激活，钝化湿重荷载，15#索二次张拉，索力为5214.3kN。
3.2 计算结果汇总
对全部悬臂施工过程20 个工况进行计算后，着重关注了14#节段工况11 至工况20 主梁的剪力钉纵向内力、桥面板纵向应力、纵梁纵桥向应力、横梁横桥向应力，结果如表1 所示。剪力钉纵向应力以远离主塔方向钢梁拉伸桥面板为正，压缩桥面板为负，桥面板及钢梁正应力以纵向受拉为正，受压为负。
表1 14# 节段计算结果极值
3.3 剪力钉计算结果分析
为探究悬臂施工过程中剪力钉纵向内力的分布与变化特性，对14#节段的剪力钉顺桥向剪力云图进行了观察，部分云图如图3 至6 所示。
图3 14#节段剪力钉顺桥向剪力云图（单位：N）
图4 14#节段剪力钉顺桥向剪力云图（单位：N）
图5 14#节段剪力钉顺桥向剪力云图（单位：N）
图6 14#节段剪力钉顺桥向剪力云图（单位：N）
当15#悬臂钢梁拼装完成时，14#节段梁端处钢梁拉伸桥面板，使得14#节段钢梁剪力钉的顺桥向剪力产生的正向剪力骤增，而当15#节段处拉索初张拉时，由于张拉力由15#钢梁直接传递给14#钢梁，导致14#钢梁对桥面板作用由拉伸变为压缩，剪力钉产生负向剪力。在之后的阶段，14#节段剪力钉纵向剪力无大幅度变化，15#节段施工完成时最大值为-33.5/15.4kN。
3.4 桥面板计算结果分析
分析了混凝土桥面板顺桥向正应力云图，以判断其分布规律，部分云图如图7 至9 所示。
图7 混凝土桥面板顺桥向正应力云图（单位：MPa）
图8 混凝土桥面板顺桥向正应力云图（单位：MPa）
图9 混凝土桥面板顺桥向正应力云图（单位：MPa）
在悬臂施工过程中，15# 节段钢梁及桥面板吊装时，将使得14#节段桥面板吊机位置处出现较大的局部压应力；而在拉索二次张拉时，拉索附近范围内的桥面板将出现较大的局部拉应力，且沿顺桥向正应力有明显的应力扩散趋势。施工过程中，桥面板最大压应力为-18MPa，最大拉应力为1.8MPa。
3.5 钢梁计算结果分析
受篇幅所限，并考虑悬臂施工过程中钢梁以纵向受力为主，本文仅列出部分纵梁顺桥向正应力云图并进行分析，云图见图10 至图12。
图10 14#纵梁顺桥向正应力云图（单位：MPa）
图11 14#纵梁顺桥向正应力云图（单位：MPa）
图12 14#纵梁顺桥向正应力云图（单位：MPa）
14#节段钢纵梁在完成二次张拉及桥面板预应力张拉后处于受压弯悬臂上挠状态，而15#节段拉索一二次张拉亦会增大14#节段的受弯上挠效应，但除一二次张拉以外的施工阶段则将对14#节段钢纵梁内的弯矩起到卸载作用；此外，钢纵梁顶板在锚拉板后侧位置处存在较大局部压应力，最大压应力为119Mpa。
4 结论
⑴通过通用有限元软件ANSYS 建立了潮汕大桥钢混组合梁空间实体有限元计算模型，并通过MIDAS 梁单元整体模型提取了相应施工工况的对应索力，对主梁最外侧11#、12#、13#、14#、15#五个节段的施工过程进行了模精细化拟。
⑵当后一节段悬臂钢梁拼装完成时，将导致前一节段梁端处钢梁拉伸桥面板，使得该处剪力钉的正向剪力骤增，而后一节段拉索初张拉产生的轴力会直接传递给前一节段钢梁，进而压缩前一节段桥面板并使得剪力钉产生负向剪力，后一节段此外的施工过程中前一阶段剪力钉剪力无剧烈变化。
⑶后一节段钢梁及桥面板吊装时，会使得前一节段桥面板吊机位置处出现较大局部压应力，而拉索附近范围内的桥面板在本节段拉索进行二次张拉时将出现较大的局部拉应力，且沿顺桥向正应力有明显的应力扩散趋势。
⑷当前节段完成二次张拉及桥面板预应力张拉时，将处于受压弯悬臂上挠状态，而在后一节段施工过程中，拉索一二次张拉会增大前一节段的受弯上挠效应，此外的过程则对前一节段钢纵梁的弯矩起到卸载作用，另外，钢纵梁顶板在锚拉板后侧位置处存在较大局部压应力。
